Dans le cadre du TIPE ( Travail d'initiative personnelle encadré ), Hugo Gounon et Martin Matter étudiants en 2ème année de génie électrique (GE2) à l'INSA Strasbourg, ont entièrement réalisés la conception de « Cubik », un simple cube mais avec l’étrange particularité de pouvoir tenir simplement sur son angle.
Voici le résultat en vidéo :
Explication technique
Cubik est basé sur un Arduino Nano, associé à deux moteurs brushless Nidec 24h et à un capteur gyroscopique et d’accélération MPU-6050, capable de mesurer la vitesse angulaire et l’accélération sur trois axes. Grâce à un filtre complémentaire, on peut calculer les angles selon les axes X et Y.
Pour maintenir Cubik en équilibre, nous utilisons le principe de la roue de réaction, basé sur la troisième loi de Newton (action-réaction), qui stipule que toute action sur un corps provoque une réaction égale et opposée. En accélérant ou en ralentissant la roue, le moteur exerce un couple sur celle-ci. En réponse, un couple opposé est exercé sur le cube.
En théorie, si le cube est parfaitement équilibré, aucun couple n’est créé au point de contact entre le coin et le sol. Cependant, il est presque impossible de trouver ce point d’équilibre parfait, surtout que cette position est naturellement très instable. Lorsque le cube commence à basculer, sa masse crée un couple au point de contact (ce qui le fait basculer), mais Cubik compense ce couple par un couple opposé généré par la roue d’inertie.
Le cube a deux degrés de liberté sur lesquels il peut basculer, nous avons donc installé deux roues de réaction qui gèrent indépendamment chaque axe X et Y. Le cube est donc évidement asservie grâce à un correcteur PID (Proportionnel, intégral, dérivé) que nous avons implémenté.
Fonctionnalités
Cubik est très simple à mettre en place. Lors de l’allumage, il y a une courte phase de calibration du capteur gyroscopique, essentielle pour obtenir de bons résultats en équilibre. Ensuite, il démarre lorsqu’il est vertical à environ ±1°. Une fois en équilibre, il corrige les petites perturbations qui peuvent lui être appliquées. Si aucune perturbation majeure ne le déséquilibre, il peut rester stable tant que la batterie est chargée—nous l’avons déjà maintenu en équilibre pendant plus de 40 minutes sans problème. Ce qui est le plus impressionnant, c’est qu’il ne se contente pas de corriger les perturbations pour rester à la verticale, son point d’équilibre initial ; il est capable de trouver automatiquement son point d’équilibre réel. Par exemple, si une petite masse est attachée à son côté droit, son point d’équilibre se décale naturellement vers la droite. Cubik ajuste alors son centre de masse en temps réel pour rester aligné avec la verticale et maintenir un équilibre réel.
